CN106300291A - 基于igbt的混合式高压直流断路器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于IGBT的混合式高压直流断路器，包括相互并联的载流支路、换流支路、缓冲电容、吸能支路和避雷器，载流支路包括相互串联的第一机械开关(1)和辅助直流开关；换流支路采用实现电流双向导通的二极管桥式阀，该支路还包括相互串联的第二机械开关(2)和由若干IGBT支路并联而成的IGBT阀，在电流从载流支路转移至换流支路后，控制所述的第二机械开关(2)分闸，待其达到额定开距后，关断IGBT阀；吸能支路包括相互串联的第三个隔离开关和吸能电阻；在断路器出口处，串联有限流电感。本发明本可以减少固态开关IGBT串联数量，降低开断过程中断路器两端的电压上升率。

Description

基于IGBT的混合式高压直流断路器

技术领域

本发明涉及高压直流输电领域，具体涉及一种高压直流断路器。

背景技术

与传统交流输电相比，直流输电具有线路建设费用低、损耗低、功率调节简单、无系统同步运行稳定性问题等优点，广泛应用于超高压、远距离和大功率输电^[1-3]。与此同时，随着可再生能源的并网需求^[4-5]以及电压源型换流器^[6]的迅速发展，国内外对高压直流输电的研究正日益深入^[7-9]。目前广泛应用的直流系统大多为两端系统，究其原因就是缺乏实用的高压直流断路器。柔性多端高压直流系统更具灵活性和可靠性，是未来高压直流系统的发展方向^[10]，而构建柔性多端直流系统的关键设备之一就是可靠的高压直流断路器。

高压直流断路器面临的几个技术难题如下：①相比于交流系统，直流系统阻抗低，一旦发生故障，短时间内将产生极大的短路电流，这要求高压直流断路器具有很大的开断能力；②直流电流没有自然过零点，灭弧困难；③断路器需要吸收直流回路电感在暂态过程中存储的巨大能量；④系统中存在感性和容性元件，当系统进行操作或发生故障时，感性元件和容性元件之间的电磁能量发生转换，容易在断路器两端产生过电压。近年来，许多国内外的学者对高压直流开断技术做了诸多研究，并研制出了不同类型的高压直流断路器。ABB公司在2012年研制出了世界上第一台针对直流电网的混合式高压直流断路器样机，解决了长期以来直流开断的大难题。根据ABB的有关技术文件^[11]，该断路器额定参数为320kV/2.6kA,开断能力为9kA，开断时间为5ms。南方电网科学研究院在2014年研制出了55kV直流断路器试验样机，开断能力16kA，开断时间为5ms；随后全球能源互联网研究院研制出了220kV直流断路器样机，开断能力15kA，开断时间为3ms^[12]。

ABB公司研发的混合式高压直流断路器的拓扑结构如附图1。该断路器主要由载流支路、换流支路、避雷器并联而成。其中，载流支路由机械开关和辅助直流开关串联而成；换流支路由大量IGBT串联而成，每个IGBT均有反并联二极管。机械开关采用基于电磁斥力机构的高速斥力开关，能在2ms内实现分闸和合闸。辅助直流开关由两个带有反并联二极管的IGBT串联而成，其通态压降只为一个IGBT和一个二极管的通态压降之和，大约7V。若正常运行直流线路电流为2kA，则功率损耗仅为14kW,只需简单的散热装置即可。限流电感L用于限制短路电流的上升率，减少固态开关承受的电流和应力，降低对故障判断灵敏性的要求和对开关速动性的要求。两个隔离开关用于电流开断后将断路器与直流电源侧、直流负载侧隔离，防止避雷器过热，对断路器起到保护作用。该断路器优越之处在于可通过关断辅助直流开关实现迅速无弧换流。其缺点如下：①固态开关由大量IGBT串联而成，随着电压等级的提高，IGBT的串联数量增多，这不仅大幅增加了断路器的体积和制作成本，而且提高了IGBT的串联均压难度；②开断短路电流过程中断路器两端电压上升率过大，可能击穿机械开关导致关断失败，同时也会对固态开关产生损害。

参考文献

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发明内容

本发明的目的是克服现有技术的上述不足，提供一种混合式高压直流断路器，以减少固态开关IGBT串联数量，降低开断过程中断路器两端的电压上升率。本发明的技术方案如下：

一种基于IGBT的混合式高压直流断路器，包括相互并联的载流支路、换流支路、缓冲电容、吸能支路和避雷器，其两端分别装设一个隔离开关，其中，载流支路包括相互串联的第一机械开关(1)和辅助直流开关；换流支路采用实现电流双向导通的二极管桥式阀，该支路还包括相互串联的第二机械开关(2)和由若干IGBT支路并联而成的IGBT阀，在电流从载流支路转移至换流支路后，控制所述的第二机械开关(2)分闸，待其达到额定开距后，关断IGBT阀，第二机械开关(2)起到隔离IGBT阀的作用；吸能支路包括相互串联的第三个隔离开关(3)和吸能电阻，在断路器完成关断后，合上第三个隔离开关(3)，吸能电阻开始吸收缓冲电容的能量，待能量吸收完毕后打开第三个隔离开关(3)；在断路器出口处，串联有限流电感L。

本发明的有益效果如下：

1、利用二极管阀桥式结构实现双向导通和关断，节省了一半的固态开关IGBT串联数量。

2、在换流支路串联了机械开关2，可以隔离固态开关，进一步大幅减少了IGBT的串联数量。

3、通过增设缓冲支路C，限制了开断过程中断路器两端的电压上升率。

附图说明

图1 ABB公司混合式高压直流断路器拓扑结构

图2带直流电源且终端短路的新型断路器拓扑结构

图3新型高压直流断路器分断过程波形图

具体实施方式

I拓扑结构

为解决ABB公司研发的混合式高压直流断路器存在的缺陷问题，本发明提出一种新型混合式高压直流断路器，其拓扑结构如附图2所示，其特点如下。

①在换流支路中，采用了二极管阀桥式结构D₁和D₄实现双向导通和关断。定义附图2中i方向为电流正向，当电流正向流通时，换流支路电流经D₁→机械开关2→固态开关→D₄流过；当电流反向流通时，换流支路电流经D₂→机械开关2→固态开关→D₃流过。由于一组IGBT可以流通正、反两方向的电流，因此，与ABB断路器相比节省了一半的IGBT。

②换流支路串联了一个机械开关2。该开关与机械开关1完全相同。在分断电流过程中，当电流从载流支路完全转移至换流支路后，控制该开关分闸，待其达到额定开距后，关断固态开关。机械开关2起到了隔离固态开关的作用，这又能大幅减少固态开关IGBT的串联数量，具体原理会在Ⅱ中阐述。

③设置了电容C缓冲支路。由于电容电压不能突变，故可在固态开关关断后限制断路器两端的电压上升率，防止机械开关被击穿，避免IGBT承受过电压而损坏.

④在断路器出口处并联了续流二极管。当负载侧发生短路时，该二极管可自行释放断路器出口与短路点间的线路阻抗中储存的能量。

⑤由于固态开关IGBT的最大集电极电流是其额定电流的两倍，当短路电流增大，尤其在多端直流系统中，一处直流线路发生短路，多个换流站可向短路点注入很大的短路电流，单个IGBT难以承受。故固态开关采用了并联少量IGBT支路的方式，可以提高断路器切断大电流的能力。

⑥增设了由吸能电阻R和隔离开关3串联而成的吸能支路。开断结束后，电容两端电压较高，在断路器下一次导通过程中，固态开关会承受过电压而损坏。故增设了吸能支路，具体原理如下：正常情况下，隔离开关3为断开状态；断路器完成关断后，合上隔离开关3，吸能电阻R开始吸收缓冲电容C中存储的能量。待C中能量吸收完毕后，打开隔离开关3。

II工作原理

以电流i正向为例，从合闸和分闸两个过程来阐述断路器的工作原理。

1)合闸过程。首先合上机械开关2，紧接着触发固态开关，电流经换流支路流过。随后，合上机械开关1并触发辅助直流开关，则机械开关1在较小的固态开关压降下合闸，基本实现了零电压导通。确认机械开关1完成合闸后，关断固态开关，电流迅速转移至机械开关1所在的载流支路，并在限流电感L的作用下逐渐上升至稳态电流值，向负载正常供电。

2)分闸过程。分闸又分为正常分闸和短路分闸，两个分闸过程基本相同，只是开断的电流大小不同，前者开断较小的正常负荷电流，后者开断很大的短路电流。以直流系统负载侧发生短路为例，详细分析其开断过程，相应的分断波形如附图3所示。图中，i_s、i_T、i_c、i_MOV、i依次为载流支路、换流支路、缓冲支路C、避雷器和隔离开关1的电流，V_s1、V_s2、V_T、V_c依次为机械开关1、机械开关2、固态开关和电容的两端电压。

t₀～t₁：系统正常运行，负荷电流经载流支路流过；

t₁～t₂：t₁时刻系统负载侧发生短路，电流i迅速上升，在t₂时刻达到测控装置的电流阈值I_th，此时触发导通固态开关并关断辅助直流开关；

t₂～t₃：t₂时刻开始换流，在t₃时刻电流从载流支路完全转移至换流支路；

t₃～t₄：在t₃时刻同时分断机械开关1和机械开关2，经过短暂的延时，两个机械开关在t₄时刻开始分闸；

t₄～t₅：分闸持续进行，t₅时刻两个机械开关达到额定开距。在整个分闸过程中，机械开关1不会产生电弧(分闸前载流支路并无电流通过)，而机械开关2会持续产生电弧；

t₅～t₆：t₅时刻关断固态开关，机械开关2瞬间熄弧，电流在t₆时刻从换流支路完全转移至缓冲支路，与此同时，电容电压迅速上升；

t₆～t₇：t₆时刻之前机械开关2处于燃弧状态，在t₇时刻完成介质恢复；

t₇～t₈：短路电流继续给电容充电，电容电压持续升高，在t₈时刻达到电源电压；

t₈～t₉：t₈时刻短路电流开始下降，与此同时，电容电压继续升高，在t₉时刻达到避雷器动作电压，避雷器击穿；

t₉～t₁₀：t₉时刻短路电流开始向避雷器支路转移，避雷器限制了断路器两端的过电压，吸收系统中的能量。t₁₀时刻线路电流降为零，断路器完成整个开断过程。随后，合上隔离开关3，释放电容存储的能量；待其能量释放完毕后，打开隔离开关3。

由于t₇时刻之后机械开关2完成介质恢复，隔离了固态开关，因此固态开关只需承受t₅至t₇时间段(包括电流从换流支路完全转移至缓冲支路的时间和机械开关2的介质恢复时间，其中，电流转移时间忽略不计，机械开关2的介质恢复时间通常只有0.1ms)的缓冲支路C上的电压。因为该电压远小于避雷器的保护电压，故可大大减少固态开关IGBT的串联数量。

III参数的选择

1、缓冲支路电容C的选择

缓冲支路C的电容容量对断路器及其开断性能有一定影响。①电容容量决定了固态开关的耐压要求。电容容量越大，其在t₅至t₇时间段的充电电压越低，则固态开关中需要串联的IGBT数量越少。②电容容量影响电容电流i_c和短路电流i的峰值以及故障的切除时间。电容容量越小，V_c上升越快：一方面使电容电压在更短的时间内到达电源电压，迫使i_c和i及早下降，这降低了i_c和i的峰值；另一方面，使避雷器会在更短的时间内被击穿，迫使i_c及早转移至避雷器中，这缩短了故障的切除时间。

以下就电容容值C对IGBT串联数量m、短路电流峰值i_max和短路故障切除时间t₁₀的影响展开分析，所用到的各个参数都在附图2中标出了。

从故障发生时刻t₁至固态开关关断时刻t₅，限流电感两端电压与直流电源电压大致相等，则

$L\frac{di}{dt}=U_d---\left(1\right)$

故推导出线路电流i在t₅时刻的电流值为

$i_t=I_0+\frac{U_d}{L}*(t_5-t_1)---\left(2\right)$

I₀为直流线路正常运行时的电流。

从固态开关关断时刻t₅至避雷器动作t₉时刻，等效电路图为直流电源直接加在LC串联支路上，该阶段可用微分方程表示为

$\left\{\begin{array}{c}L\frac{di}{dt}+V_c=U_d\\ i=C\frac{{\mathrm{dV}}_c}{dt}\\ V_c\left(0\right)=0\\ i\left(0\right)=i_{t5}\end{array}\right.---\left(3\right)$

解得

$\left\{\begin{array}{c}i\left(t\right)=\sqrt{\frac{C}{L}}{U}_{d}sin\frac{1}{\sqrt{LC}}(t-t_5)+i_t\sin \frac{1}{\sqrt{LC}}(t-t_5)\\ V_c\left(t\right)=U_d-U_{d}cos\frac{1}{\sqrt{LC}}(t-t_5)+\sqrt{\frac{L}{C}}{i}_t\sin \frac{1}{\sqrt{LC}}(t-t_5)\end{array}\right.---\left(4\right)$

由于t₇时刻机械开关2完成介质恢复，故固态开关只需承受t₇时刻的电容电压，其值为

$\begin{array}{c}{V}_c\left(t_7\right)=U_d-U_d\cos \frac{1}{\sqrt{LC}}(t_7-t_5)\\ +\sqrt{\frac{L}{C}}{i}_t\sin \frac{1}{\sqrt{LC}}(t_7-t_5)\end{array}---\left(5\right)$

假设IGBT的使用电压为其额定电压U_N的2/3，则可得出IGBT串联数量m和电容容值C的选择关系为

$m\≥\frac{3\[U_d-U_{d}cos\frac{1}{\sqrt{LC}}(t_7-t_5)+\sqrt{\frac{L}{C}}{i}_L\sin \frac{1}{\sqrt{LC}}(t_7-t_5)\]}{2U_N}---\left(6\right)$

由上式可知，IGBT使用数量m和电容容值C之间互相依存。给定C即可求出m，给定m也可求出C；C越大，m越小。

在t₈时刻，，此时短路电流达到最大值

$i_{max}=\sqrt{\frac{{{\mathrm{CU}}_d}^2}{L}+{i_{t5}}^2}---\left(7\right)$

由上式可知，电容越大，短路电流峰值越大。

假设时刻避雷器达到动作电压，令式(4)中的第二个公式为，则

t₉＝f^-1(U_op) (8)

从避雷器动作时刻到短路电流降为零时刻，避雷器吸收系统中的能量。该阶段将避雷器等效为恒压源，则电流衰减为

$\frac{di}{dt}=\frac{U_{op}-U_d}{L}---\left(9\right)$

可得出

$t_{10}=t_9+\frac{i\left(t_9\right)L}{U_{op}-U_d}---\left(10\right)$

由式(8)和式(10)可知，电容越大，故障切除时间越短。

增大电容容量会提高缓冲支路电容体积和制作成本，不利于断路器的经济性和小型化设计。因此，工程应用中应该综合考虑缓冲支路电容体积及成本、固态开关IGBT串联数量、短路电流峰值和故障的切除时间，选取合适的电容值。

2、吸能电阻R的选择该电阻R取100Ω即可。

3、限流电感L的选择在选定电流变化率后，根据可以选出电感L。

Claims (1)

1.一种基于IGBT的混合式高压直流断路器，包括相互并联的载流支路、换流支路、缓冲电容、吸能支路和避雷器，其两端分别装设一个隔离开关，其中，载流支路包括相互串联的第一机械开关(1)和辅助直流开关；换流支路采用实现电流双向导通的二极管桥式阀，该支路还包括相互串联的第二机械开关(2)和由若干IGBT支路并联而成的IGBT阀，在电流从载流支路转移至换流支路后，控制所述的第二机械开关(2)分闸，待其达到额定开距后，关断IGBT阀，第二机械开关(2)起到隔离IGBT阀的作用；吸能支路包括相互串联的第三个隔离开关(3)和吸能电阻，在断路器完成关断后，合上第三个隔离开关(3)，吸能电阻开始吸收缓冲电容的能量，待能量吸收完毕后打开第三个隔离开关(3)；在断路器出口处串联有限流电感L。